德州大学奥斯汀分校利用多材料3D打印技术开发功能性膝关节模型

2025年8月4日，南极熊获悉，德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员宣布开发出一种创新型3D打印技术，能够将硬性材料与柔性材料无缝集成于单一打印件中的新方法。该成果有望推动生物医疗植入物、柔性电子器件及软体机器人等多个前沿应用领域的快速发展。

△通过波长选择性树脂实现多材料（硬质热固性材料+可溶热塑性塑料）的一体化成型示意图

该项目由美国国防部、美国国家科学基金会及罗伯特·A·韦尔奇基金会资助。这种新的3D打印方法不使用传统的线材，而是一种对两种光脉冲产生反应的特殊液态树脂。紫外线在硬化过程中会产生坚硬的塑料状区域，而紫光则会产生弹性的橡胶状区域。通过精确控制光源，研究人员得以在同一打印件中实现从刚性到柔性的连续过渡。

△利用3D打印机打印一个功能齐全的膝关节微型模型成为可能

3D打印功能性膝关节

为确保软硬材料间的牢固结合，团队引入了具有双重反应基团的化学交联分子。正如德克萨斯大学奥斯汀分校助理教授Zak Page所解释的那样：“我们构建了一个同时具有两种反应基团的分子，这样两种凝固反应就可以在界面处‘相互对话’。这使得软硬部分之间的连接更加牢固，并且如果我们愿意，可以实现渐进式过渡。”

△化学交联分子可防止接触点断裂或结构变弱

目前，这种新方法已成功应用于功能性膝关节微型模型的打印测试。模型中的“人工骨骼”区域具备高稳定性，而“韧带”区域则保持高度柔韧性，充分验证了这项技术在生物力学植入物领域的巨大潜力。此外，团队还开发出可拉伸电子带，实现了在不同硬度区域内金属导体的可靠延展性，为柔性电子产品带来新突破。

△相关论文已发表在《ACS Central Science》起来，研究题目为“多色数字光处理3D打印为独立式和非组装结构提供可溶解支撑”

研究人员表示，这种新型方法比以往的方法运行速度更快，效果也更好。此外，打印机设置易于复制且成本低廉，这使得研究人员、医院和教师能够轻松掌握这项技术。Page实验室的博士生Keldy Mason解释道：“与注塑成型等传统工艺相比，这种方法可以使增材制造在大批量生产中更具竞争力。同样重要的是，它开辟了新的设计可能性，”

总的来说，这项新技术以高精度、可扩展性及成本效益，为3D打印行业带来全新发展机遇。未来，它很有可能在医疗植入物、可穿戴电子与软体机器人组件等领域具有广阔应用前景。